KR102470421B1 - 열관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매순환기, 제1 열교환기, 제1 팽창기 및 제3 열교환기를 포함하고, 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 상기 제1 열교환기를 통해 상기 냉매와 열교환하는 냉각수를 순환시켜 실내를 난방하는 난방라인; 및 냉각수를 공기와 열교환하거나, 상기 냉매와 열교환하여 발열원을 냉각하는 냉각라인을 포함하는 열관리 시스템을 개시한다.

Description

열관리 시스템{thermal management system}
본 발명은 열관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 냉/난방은 물론, 차량 내 전장부품 및 배터리의 열을 관리하는 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차 분야에서 환경 친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제 해결로서 각광받고 있는 것이 전기 자동차이다. 전기 자동차는 배터리(또는 연료전지)로부터 전력을 공급받아 구동하는 모터로 이동하기 때문에, 탄소 배출 및 소음이 작다. 또한, 기존 엔진보다 에너지 효율이 우수한 모터를 사용하기 때문에 친환경적이다.
이와 같이 우수한 전기 자동차이지만, 발열이 심한 배터리 및 모터를 사용하는바 열관리가 중요하고, 배터리의 재충전 시간이 길기 때문에 효율적인 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다. 특히, 전기 자동차는 실내 공조를 위해 구동하는 압축기도 전기로 구동하는 바, 더욱 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다.
본 발명은 차량의 실내 냉/난방은 물론 전장부품 및 배터리까지 열관리 가능한 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 또한, 전력 소모량을 감소시켜 배터리 사용 시간을 증가시키는 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 그리고, 본 발명은 구조가 단순한 냉매 및 냉각수라인을 포함하는 열관리 시스템을 제공하는 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열관리 시스템은 냉매순환기(210), 제1 열교환기(220), 제1 팽창기(225) 및 제3 열교환기(242)를 포함하고, 냉매가 순환하는 냉매순환라인(200); 상기 제1 열교환기(220)를 통해 상기 냉매와 열교환하는 냉각수를 순환시켜 실내를 난방하는 난방라인(301); 및 냉각수를 공기와 열교환하거나, 상기 냉매와 열교환하여 발열원을 냉각하는 냉각라인(302)을 포함한다.
또한, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)은 실내 냉/난방 모드에 따라 연결 또는 차폐되는 것을 특징으로 하고, 상기 실내 냉방 시, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)은 서로 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 실내 난방 시, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)은 서로 차폐되는 것을 특징으로 하고, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)은 직렬의 하나의 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)은, 상기 냉각라인(302) 일측에서 분기되어 상기 난방라인(301)과 연결되는 제1 연결라인(302-1); 및 상기 냉각라인(302)의 타측에서 분기되어 상기 난방라인(301)과 연결되는 제2 연결라인(302-2)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2 연결라인(302-1, 302-2) 및 상기 난방라인(301)은 1개의 냉각수 방향전환기에 의해 연결되는 연결 또는 차단되는 것을 특징으로 하고, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)이 연결된 경우, 상기 난방라인(301)에서 상기 냉각라인(302) 방향으로 냉각수가 유통하는 제1 또는 제2 연결라인(302-1, 302-2)에 전장부품(460)이 배치되는 것을 특징으로 하고, 상기 난방 및 냉각라인(301, 302)이 차폐될 경우, 상기 전장부품(460)은 상기 제1 및 제2 연결라인(302-1, 302-2)에 의해 상기 냉각라인(302)에 연결되어, 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하고, 상기 냉매순환라인(200)은 상기 제1 열교환기(220)에서 토출된 냉매를 교축하거나 바이패스 시키는 상기 제1 팽창기(225); 및 상기 제1 팽창기(225)에서 토출된 냉매를 공기와 열교환하여 제2 팽창기(240)로 토출하는 제2 열교환기(230)를 포함하고, 상기 제1 열교환기(220)에서 토출된 냉매를 교축, 바이패스 또는 흐름을 차단하는 제3 팽창기(251); 및 상기 제3 팽창기(251)에서 토출된 냉매를 상기 냉각라인(302)의 상기 냉각수와 열교환하는 제4 열교환기(252)를 더 포함하고, 상기 발열원은 상기 제4 열교환기(252)와 열교환된 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하고, 상기 냉각라인(302)은 상기 냉각수를 공기로 냉각하기 위한 제6 열교환기(310); 및 상기 제6 열교환기(310)에 의해 냉각된 상기 냉각수 또는 상기 제4 열교환기(252)에 의해 냉각된 상기 냉각수에 의해 냉각되는 상기 발열원을 포함하고, 상기 제4 열교환기(252)과 상기 발열원은 상기 냉각라인(302)에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하며, 상기 난방라인(301)은 상기 제1 열교환기(220)를 통해 상기 냉매와 열교환하는 상기 냉각수와 실내에 유입되는 공기를 열교환하여 상기 실내를 난방하는 제5 열교환기(440); 및 상기 제5 열교환기(440) 전단에 배치되어 상기 냉각수를 가열하는 전열히터(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열관리 시스템은 전력 소모량을 감소시켜 배터리 사용 시간을 증가시키고, 구조가 단순한 냉매 및 냉각수라인의 설계가 가능하여 유지 보수 및 원가가 절감되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 및 3은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 6은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1과 같이, 열관리 시스템은 크게 냉매가 순환하는 냉매순환라인(200)과 냉각수가 순환하는 냉각수순환라인(300)을 포함한다.
냉매순환라인(200)은 냉매순환기(210), 제1 내지 제4 열교환기(220, 230, 242, 252), 제1 내지 제3 팽창기(225, 240, 251) 및 어큐물레이터(260)를 포함한다. 이들을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
냉매순환기(210)는 냉매순환라인(200)에서 냉매를 순환시키는 심장 역할을 한다. 일례로서, 냉매순환기(210)는 전동 압축기일 수 있다. 이하, 냉매순환기와 전동 압축기를 도면부호 210으로 혼용하여 설명하기로 한다. 이러한 냉매순환기(210)인 전동 압축기는 전력을 공급받아 냉매를 압축하여 토출하는데, 압축하는 형태에 따라 스크롤(scroll), 사판(swash), 로타리(rotary), 워블(wabble) 방식으로 나뉘며, 본 실시예에서는 압축기의 압축 형태와 무관하게 모두 적용 가능하다.
제1 내지 제4 열교환기(220, 230, 242, 252)는 냉매를 다른 매체(예를 들어 냉각수, 공기)와 열교환시키는 역할을 한다. 그리고, 제1 내지 제3 팽창기(225, 240, 251)는 냉매를 교축, 바이패스(bypass) 또는 흐름을 차단하는 역할을 한다.
이중, 제1 열교환기(220)는 냉매순환라인(200)에서 응축기의 역할을 한다. 즉, 냉매순환기(210)에서 토출된 고온고압의 냉매를 전달받고, 이를 냉각수와 열교환시켜 냉매의 온도를 낮춘다.
제1 팽창기(225)는 제1 및 제2 열교환기(220, 230) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 팽창기(225)는 오리피스(orifice)와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(Thermal Expansion　Valve; TXV) 또는 전자팽창기(Electronic eXpasion Valve; EXV)일 수 있다. 제2 팽창기(240)는 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프 또는 히트펌프(heat pump) 루프로 사용할 경우에 따라 기능을 달리한다. 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프로 사용할 경우 냉매를 바이패스하고, 히트펌프 루프로 사용할 경우 냉매를 교축하여 통과시킨다.
제1 팽창기(225)와 연계하여 제2 열교환기(230)는 냉매순환라인(200)에서 응축기 또는 증발기 역할을 한다. 이를 위해, 제2 열교환기(230)는 공기와 냉매를 열교환하는 구조로 설계가 가능하다. 제2 열교환기(230)는 제1 팽창기(225)의 역할에 따라 기능이 가변된다. 즉, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스하는 경우(에어컨 루프일 수 있다) 제1 열교환기(220)와 함께 응축기의 역할을 하고, 제1 팽창기(225)가 냉매를 교축할 경우(히트펌프 루프일 수 있다) 증발기 역할을 한다.
제2 팽창기(240)는 제2 및 제3 열교환기(230, 242) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 팽창기(240)는 오리피스와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(TXV) 또는 전자팽창기(EXV)일 수 있다. 제2 팽창기(240)도 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프 또는 히트펌프 루프로 사용할 경우에 따라 기능을 달리한다. 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프로 사용할 경우 냉매를 교축하여 통과시키고, 히트펌프 루프로 사용할 경우 냉매를 바이패스 시키거나 차단한다.
제3 열교환기(242)는 공조장치(150, 차량용 공조장치(HVAC)일 수 있다) 내에 구비되어 증발기 역할을 한다. 이를 위해, 제3 열교환기(242)는 실내에 공급되는 공기와 냉매를 열교환하는 구조로 설계 가능하다. 또한 제3 열교환기(242)는 냉매순환라인(200)이 에어컨 루프일 경우 증발기 역할을 하고, 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우 증발기 또는 냉매 이동로(바이패스, 바이패스 역할일 때도 증발기 역할을 일정부분 수행한다) 역할을 한다. 여기서, 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우는 외기온이 낮아 실내 난방이 필요한 상태인데, 이때 증발기는 제습 이외에는 역할이 제한적이다. 따라서, 제3 열교환기(242)는 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우 제습을 위한 증발기로서의 역할 이외에는 냉매의 이동로의 역할을 한다. 그리고, 공조장치(150)에는 온도조절도어(151)가 구비될 수 있다.
제3 팽창기(251)는 제2 및 제4 열교환기(230, 252) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제3 팽창기(251)는 오리피스와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(TXV) 또는 전자팽창기(EXV)일 수 있다. 제3 팽창기(251)는 냉각수의 냉각이 필요한 상황에서 냉매를 교축하여 통과시키고, 냉각수의 냉각이 필요하지 않은 상황에서는 냉매를 바이패스 시키거나 냉매 순환을 차단한다.
제3 팽창기(251)와 연계하여 제4 열교환기(252)는 냉매순환라인(200)에서 칠러(chiller) 역할을 한다. 이를 위해, 제4 열교환기(252)는 냉각수와 냉매를 열교환하는 구조로 설계 가능하다.
어큐물레이터(260)는 제3, 4 열교환기(242, 252)와 냉매순환기(210) 사이에 배치되어, 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하고 이중 기상 냉매만 냉매순환기(210)에 전달한다.
냉각수순환라인(300)은 실내 난방을 위한 난방라인(301)과 배터리(350) 또는 전장부품(460)을 냉각하기 위한 냉각라인(302)을 포함한다.
이 경우 난방라인(301)은 전열히터(430), 제5 열교환기(440), 냉각수순환기(450) 및 제1 방향전환기(420)를 포함한다.
전열히터(430)는 냉각수를 가열하는 장치로서, 제1 열교환기(220) 토출단과 연결된다. 전열히터(430)는 제1 열교환기(220) 또는 배터리(350) 및 전장부품(460)을 통해 가열된 냉각수의 온도가 적정치 이하일 경우 가동하는 인덕션(induction) 히터, 씨즈(sheath), PTC 히터, TF(Thin Film) 히터일 수 있다.
제5 열교환기(440)는 공조장치(150) 내에 구비되어 히터코어(heater core) 역할을 한다. 즉, 제5 열교환기(440)는 냉각수와 실내에 공급되는 공기를 열교환시켜 실내를 난방하는 역할을 한다.
냉각수순환기(450)는 냉각수를 순환시키는 장치로서, 펌프(pump)의 형태일 수 있다. 냉각수순환기(450)의 냉각수 순환 방향은 전열히터(430)와 제5 열교환기(440)의 연결 방향에 맞춰 설정되는데, 냉각수순환기(450)는 냉각수가 전열히터(430)를 지나 제5 열교환기(440)로 향하도록 구동된다. 따라서, 도면과 같이 냉각수순환기(450)가 제5 열교환기(440) 후단에 있을 경우에는 제5 열교환기(440)의 방향의 반대 방향으로 냉각수를 이동시키고, 냉각수순환기(450)가 전열히터(430)의 전단에 있을 경우에는 전열히터(430) 방향으로 냉각수를 이동시킨다.
제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 선택적으로 연결하거나 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 제1 방향전환기(420)는 4방향 밸브일 수 있다. 상술한 제1 방향전환기(420)의 선택적 연결은 열관리 시스템의 동작 모드에 따른 것으로서, 구체적인 내용은 후술한다.
냉각라인(302)은 배터리(350), 제6 열교환기(310), 제2 냉각수순환기(340) 및 제2 및 제3 방향전환기(320, 360)를 포함한다. 추가로, 냉각라인(302)은 제1 내지 제3 연결라인(302-1, 302-2, 302-3) 및 제3 냉각수순환기(340)를 포함한다.
배터리(350)는 차량에 동력원이고, 차량 내 각종 전장부품의 구동원이다. 경우에 따라서 연료전지와 연결되어 전기를 저장하는 역할을 하거나, 외부에서 공급되는 전기를 저장하는 역할을 할 수 있다.
제6 열교환기(310)는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터 역할을 한다. 즉, 제6 열교환기(310)는 냉각수와 공기를 열교환시켜 배터리(350) 및 전장부품(460)에 의해 가열된 냉각수를 냉각한다. 이를 위해, 제6 열교환기(310)는 공기 공급량을 높이기 위해 팬(311)과 함께 구비될 수 있다. 한편, 냉매를 공기와 열교환하는 제2 열교환기(230)도 팬(311)과 함께 구비될 경우 효율이 더 증가될 수 있는데, 최소 공간 사용을 위해 제2 및 제6 열교환기(230, 310)를 적층시킨 후, 팬(311)과 함께 구비될 수도 있다.
제2 냉각수순환기(340)는 냉각라인(302)의 냉각수를 순환시키는 역할을 하며, 펌프 형태일 수 있다.
제2 방향전환기(320)는 냉각라인(302)과 난방라인(301)을 연결하는 역할을 한다. 열관리 시스템은 동작 모드에 따라 냉각라인(302)과 난방라인(301)이 연결 또는 차단되는데, 이의 1차적 제어가 제2 방향전환기(320)이고, 이에 따라 제1 연결라인(302-1)을 통해 냉각라인(302)과 난방라인(301)이 연결 또는 차단된다. 그리고, 제2 방향전환기(320)로는 냉각수의 흐름 속도 제어가 어려운 바, 제3 냉각수순환기(410)를 제1 연결라인(302-1)에 배치한다. 이 경우 제2 방향전환기(320)는 3방향 밸브일 수 있다.
그리고, 냉각라인(302)의 냉각수가 난방라인(301)으로 이동하는 통로(제1 연결라인(302-1))가 확보된 상태에서, 다시 난방라인(301)의 냉각수가 냉각라인(302)으로 이동해야하는바, 이를 위해 제2 연결라인(302-2)을 구비한다. 이때, 제2 연결라인(302-2)에는 전장부품(460)이 배치되어 냉각수에 의해 냉각된다.
마지막으로, 제4 열교환기(252)와 연결되어 냉각수를 냉각시키기 위한 제3 연결라인(302-3)이 구비되고, 제3 방향전환기(360)에 의해 연결 여부가 결정된다. 제3 연결라인(302-3)은 경우에 따라 생략 가능하며, 이 경우 제4 열교환기(252)가 배터리(350) 인근 냉각라인(302)의 냉각수와 직접 열교환하는 형태일 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 냉각수순환라인(300)은 열관리 시스템의 동작 모드에 따라 실내 난방을 위해 구비된 난방라인(301)과 배터리(350) 및 전장부품(460)을 냉각하기 위한 냉각라인(302)을 연결하거나, 차단한다. 이를 가능하게 하는 것이 제1 및 제2 방향전환기(420, 320)이다. 특히, 제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 제1 및 제2 연결라인(302-1, 302-2)을 연결/차단하는 4방향 밸브로 구성되기 때문에, 간단한 구조로 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 손쉽게 연결 및 차단할 수 있다. 더불어, 냉각수의 흐름을 전환하는 방향전환기의 개수를 감소시킬 수 있는 구성이기도 하다.
이하 앞서 설명한 열관리 시스템의 동작 모드에 따른 동작을 설명한다.
1. 실내 냉방 - 냉방 부하가 적을 때(예를 들어, 봄/가을철)
도 2는 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
실내 냉방 모드이기 때문에 냉매순환기(210)가 동작하되, 냉방 부하가 적기 때문에, 냉매순환기(210)는 낮은 RPM으로 구동한다. 이는 전력 소모가 감소되는 것을 의미한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 공기와 열교환시켜 추가로 냉각한다. 즉, 제1 및 제2 열교환기(220, 230)가 응축기의 역할을 하여 냉매를 응축한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고, 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방한다. 그리고, 제3 팽창기(251)는 냉매 흐름을 차단하여 제4 열교환기(252) 방향으로 냉매가 흐르지 못하게 막는다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 냉각수순환기(340, 410, 450)들에 의해 순환하며, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열된다. 반대로, 냉각수에 의해 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 냉매는 냉각된다. 이때, 제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 연결하는 방향으로 냉각수를 순환시키며, 이를 통해 배터리(350), 전장부품(460), 제1 열교환기(220)와 같은 발열원은 냉각수에 의해 연결된다. 즉 제1 방향전환기(420)는 냉각수 라인을 단순화시켜, 상술한 발열원(350, 460, 220)의 냉각 효율을 증대시키는 방향으로 냉각수 흐름을 유도한다.
가열된 냉각수는 제6 열교환기(310)에서 공기와 열교환되어 냉각된 후, 재차 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)로 전달되어 배터리(350), 전장부품(460)을 냉각하며, 이 과정을 반복한다.
정리해 보면, 실내 냉방은 냉매순환기(210), 응축기 역할을 하는 제1 열교환기(220), 제2 열교환기(230)와, 제2 팽창기(240) 및 증발기 역할을 하는 제3 열교환기(242)로 이어지는 에어컨 루프를 통해 이뤄진다. 이때, 냉매의 응축은 2차(수냉 및 공냉)로 이루어져 효율이 높다. 그리고, 배터리(350)와 전장부품(460)인 발열원의 냉각은 라디에이터(310)를 통한 공냉으로 이뤄진다. 앞서 가정한 바와 같이 발열원(350, 460), 특히 배터리(350)의 냉각 부하가 작아서 발열원(350, 460)을 공냉으로 냉각하는데, 이 경우 제4 열교환기(252)를 가동하지 않아도 되기 때문에 냉매 부하가 작아져 냉매순환기(210)의 회전수(RPM)를 낮출 수 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
2. 실내 냉방 - 냉방 부하가 클 때(예를 들어, 여름철)
도 3은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 2와 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
실내 냉방 모드이기 때문에 냉매순환기(210)가 동작하되, 냉방 부하가 크기 때문에, 냉매순환기(210)는 높은 회전수(RPM)로 구동한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 공기와 열교환시켜 추가로 냉각한다. 즉, 제1 및 제2 열교환기(220, 230)가 응축기의 역할을 하여 냉매를 응축한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고, 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방한다. 그리고, 제3 팽창기(251)도 냉매를 교축하고, 제4 열교환기(252)는 냉매와 냉각수를 열교환한다. 즉, 제4 열교환기(252)는 냉매로 냉각수를 냉각한다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 제2 냉각수순환기(340), 제3 냉각수순환기(410), 냉각수순환기(450)에 의해 순환하며, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열된다. 반대로, 냉각수에 의해 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 냉매는 냉각된다. 이때, 냉각라인(302)은 제2 및 제3 방향전환기(320, 360)에 의해 전장부품(460)과 제1 열교환기(220)의 냉매를 냉각하기 위한 제1 냉각라인과 배터리(350)를 냉각하기 위한 제2 냉각라인으로 나뉜다. 냉각수를 냉각할 때 냉매를 이용하는 것이 효율적이기는 하나, 모든 발열원(350, 460, 220)을 냉매로 냉각할 경우 냉매에 부하가 인가되어, 실내 냉방에 악영향을 끼친다. 이를 방지하고자, 배터리(350)만 냉매로 냉각하고, 나머지 발열원(460, 220)은 제6 열교환기(310)인 라디에이터를 통해 냉각한다.
정리해 보면, 실내 냉방은 냉매순환기(210), 응축기 역할을 하는 제1 열교환기(220)와 제2 열교환기(230), 제2 팽창기(240) 및 증발기 역할을 하는 제3 열교환기(242)로 이어지는 에어컨 루프를 통해 이뤄진다. 그리고, 발열원 중 전장부품(460)의 냉각은 라디에이터(310)를 통한 공냉으로 이뤄지고, 배터리(350)의 냉각은 칠러(252)를 통한 냉매로 냉각된다.
3. 실내 난방
도 4 내지 6은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 2 및 도 3과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 냉매순환기(210)가 동작하되, 실내 난방이기 때문에 저 또는 중 회전수(RPM)으로 구동한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 반대로 말해, 제1 열교환기(220)의 냉매에 의해 냉각수가 가열된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 교축하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 증발시킨다. 즉, 제 1열교환기(220)는 응축기로 동작하고, 제2 열교환기(230)는 증발기로 동작한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 제3 열교환기(242)로 흐르는 냉매를 차단한다. 실내 난방이기 때문에 증발기로 사용되는 제3 열교환기(242)가 필요하지 않기 때문이다. 그리고, 제3 팽창기(251)가 냉매를 바이패스 시켜 제4 열교환기(252)로 전달한다. 제4 열교환기(252)에서는 냉매가 냉각수의 열을 흡수하여 가열된다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 제1 및 제2 방향전환기(420, 320)에 의해 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 각각 폐루프를 형성한다. 난방라인(301)은 제1 열교환기(220)에 의해 가열된 냉각수를 제5 열교환기(440)에 유통시켜 실내를 난방한다. 즉, 난방라인(301)은 고온의 냉매로부터 열을 전달받은 냉각수를 이용하여 실내를 난방한다. 만약, 냉매로부터 전달받은 열의 온도가 충분하지 않을 경우 전열히터(430)를 사용하여 냉각수를 가열할 수도 있다. 냉각라인(302)은 배터리(350)와 전장부품(460)을 연결하는 폐루프로서, 전장부품(460)을 배터리(350)의 승온(warm up)용 발열원으로 사용한다. 이때, 제6 열교환기(310)에는 냉각수를 유동시키지 않으며, 이에 따라 팬(311)이 동작하지 않아서 전력 소모량이 감소된다. 이 경우 실내를 난방한다는 것은 외기온이 낮다는 것이고, 배터리(350)를 냉각하기 위한 수단의 필요성이 높지 않다는 것을 의미하는 바, 제6 열교환기(310) 및 팬(311)을 사용하지 않는다. 하지만, 초겨울, 늦 봄과 같이 실내 난방을 하지만 외기온이 아주 낮지 않은 상황에서는 제6 열교환기(310) 및 팬(311)을 사용하여 냉각라인(302)의 냉각수를 냉각할 수도 있다.
또한, 도 5와 같이, 배터리(350)의 온도에 따라 제3 방향전환기(360) 및 제2 냉각수순환기(340)를 제어하여 배터리(350)와 전장부품(460)의 냉각수 흐름을 차단하거나 유속을 저감시킬 수도 있다. 즉 제2 냉각수순환기(340)를 구동하지 않기 때문에 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. 배터리 온도가 충분히 높지 않아, 공조에서 배터리 폐열을 활용하기 어려운 조건에서 배터리(350) 측 냉각수 흐름을 차단한다.
정리해 보면, 실내 난방은 고온의 냉매에 의해 가열된 냉각수를 이용한다. 추가로 전열히터(430)로 냉각수를 가열하여 실내 난방을 할 수도 있다. 냉매순환라인(200)이 히트펌프로 동작할 수 있는 구성을 포함하고 있으나, 실내 난방은 냉매가 아닌 냉각수로 한다. 따라서, 냉매순환라인(200)에서 제2 열교환기(230)과 제1 팽창기(225)는 경우에 따라 삭제도 가능하다.
도 6은 온화한 날씨의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 6과 같이, 냉매순환기(210)는 동작하지 않는다. 즉, 본 실내 난방에서 냉매순환라인(200)에는 냉매가 흐르지 않는다. 따라서, 냉매순환기(210)가 동작하지 않아서 전력 소모량을 감소할 수 있다. 냉각수순환라인(300)은 제6 열교환기(310)로 흐르는 냉각라인(302)과 제3 연결라인(302-3)을 제외하고 모두 연결되어 냉각수를 유통한다.
실내 난방을 위한 열원은 배터리(350)와 전장부품(460)이다. 실외가 온화한 날씨이기 때문에 실내 온도가 높은 것이 요구되지 않으며, 이에 따라 배터리(350)와 전장부품(460) 만으로도 난방이 가능하다. 추가 난방을 위해 전열히터(430)를 구동시킬 수도 있다.
그리고, 배터리(350)는 전장부품(460)에 의해 승온(warm up)된다. 만약 전장부품(460)의 온도가 배터리(350)를 충분히 승온시키지 못할 온도라면, 전열히터(430)가 구동하여 배터리(350)를 승온시킬 수도 있다. 배터리 승온은 배터리 충전시 충전 효율을 증가시킬 수 있는 효과도 있다.
정리해 보면, 온화한 날씨에서 실내 난방은 냉매의 유동 없이, 배터리(350) 및 전장부품(460)의 폐열로 가열된 냉각수로 한다. 냉매순환기(210)가 구동하지 않기 때문에 전력 소모량이 적은 장점이 있다.
또한, 전장부품(460) 또는 전열히터(430)에 의해 배터리(350)가 승온되기 때문에 배터리(350) 초기 동작 성능이 향상되는 장점이 있다.
최종 정리해 보면, 본 실시예는 기존 냉방은 물론 난방(히트펌프)까지 수행하기 위해 복잡한 냉매라인과 다양한 발열원(전장부품 및 배터리) 및 냉각원(라디에이터, 팬, 칠러)에 의해 복잡한 냉각수라인을 단순화시킨 구조이다. 또한, 냉매와 냉각수를 적절히 열교환시켜 냉/난방에 활용하며, 발열원을 냉각시키는데도 활용한다.
외기온에 따라 적절히 전력 소모원(압축기, 냉각수펌프)에 전력 공급을 차단하여 전력 소모량을 감소시키며, 이를 통해 전기차의 주행거리를 향상시킬 수 있다. 또한, 발열원의 폐열을 회수하는 구조로서, 전력 소모량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명된 본 실시예와 같은 열관리 시스템은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 실시예에서 언급한 어큐뮬레이터(260)는 응축기인 제1 열교환기(220)와 제1 팽창기(225) 사이에 배치되는 리시버드라이어(receiver drier)로 대체될 수 있다.
또한, 냉매순환라인(200)에서 제2 열교환기(230)와 제1 팽창기(225)는, 경우에 따라 삭제도 가능하다. 즉, 제1 열교환기(220)로도 냉매의 응축이 충분히 가능하다면 냉매순환라인(200)이 단순히 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기로만 구성시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
150 : 공조장치 151 : 온도조절도어
200 : 냉매순환라인 210 : 냉매순환기
220 : 제1 열교환기 225 : 제1 팽창기
230 : 제2 열교환기 240 : 제2 팽창기
242 : 제3 열교환기 251 : 제3 팽창기
252 : 제4 열교환기 260 : 어큐물레이터
300 : 냉각수순환라인 301 : 난방라인
302-1 : 제1 연결라인 302-2 : 제2 연결라인
302-3 : 제3 연결라인 302 : 냉각라인
310 : 제6 열교환기 320 : 제2 방향전환기
340 : 제2 냉각수순환기 350 : 배터리
360 : 제3 방향전환기 410 : 제3 냉각수순환기
420 : 제1 방향전환기 430 : 전열히터
440 : 제5 열교환기 450 : 냉각수순환기
460 : 전장부품 311: 팬

Claims (15)

  1. 냉매를 압축하여 순환시키는 냉매순환기와, 상기 압축된 냉매를 냉각수와 열교환시켜 응축하는 제1 열교환기와, 응축된 냉매를 공조 모드에 따라 팽창 또는 바이패스시키는 제1 팽창기와, 상기 제1 팽창기를 통과한 냉매를 공기와 열교환시키는 제2 열교환기와, 상기 제1 팽창기의 냉매 팽창 여부에 따라 상기 제2 열교환기를 통과한 냉매를 팽창 또는 바이패스시키는 제2 팽창기와, 상기 제2 팽창기를 통과한 냉매를 공조풍과 열교환시켜 실내를 냉방하는 제3 열교환기와, 상기 제1 팽창기의 냉매 팽창 여부에 따라서 상기 제2 열교환기를 통과한 냉매를 팽창 또는 바이패스시키는 제3 팽창기와, 상기 제3 팽창기를 통과한 냉매를 배터리를 냉각하기 위한 냉각수와 열교환시키는 제4 열교환기를 포함하는 냉매순환라인;
    상기 제1 열교환기와 열교환된 냉각수를 공조풍과 열교환시켜 실내를 난방하는 난방라인; 및
    냉각수를 공기와 열교환하거나 냉매와 열교환하여 발열원을 냉각하는 냉각라인을 포함하되,
    상기 냉각라인은 전장부품을 냉각하기 위한 제1 냉각라인과 배터리를 냉각하기 위한 제2 냉각라인을 구비하며,
    냉방모드시에 상기 난방라인과 냉각라인을 연속적으로 서로 연결하고, 난방모드시에 상기 난방라인과 냉각라인을 서로 차폐하여 상기 난방라인과 냉각라인을 선택적으로 연결하거나 차폐하는 방향전환기를 구비하며,
    냉방모드시 난방라인과 냉각라인을 서로 연결하되 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수가 공기와 열교환되기 위한 제6 열교환기에 전달되어 냉각되고,
    냉방부하에 따라서 난방라인과 상기 제1 냉각라인 및 제2 냉각라인을 모두 연결하거나, 난방라인과 제1 냉각라인을 연속적으로 연결하고 제2 냉각라인과 난방라인은 차단하여 독립적인 냉각라인을 형성하는 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각라인은,
    상기 냉각라인 일측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제1 연결라인; 및
    상기 냉각라인의 타측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제2 연결라인을 포함하는 열관리 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 연결라인, 제2 연결라인 및 난방라인은,
    1개의 냉각수 방향전환기에 의해 연결되는 연결 또는 차단되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 난방라인 및 냉각라인이 연결된 경우, 상기 난방라인에서 상기 냉각라인 방향으로 냉각수가 유동하는 상기 제2 연결라인에 전장부품이 배치되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 난방라인 및 냉각라인이 차폐될 경우, 상기 전장부품은 상기 제1 연결라인 및 제2 연결라인에 의해 상기 냉각라인에 연결되어, 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 발열원은 상기 제4 열교환기와 열교환된 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제6 열교환기에 의해 냉각된 상기 냉각수 또는 상기 제4 열교환기에 의해 냉각된 상기 냉각수에 의해 냉각되는 발열원을 포함하는 열관리 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제4 열교환기와 상기 발열원은 상기 냉각라인에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 난방라인은 상기 제1 열교환기를 통해 상기 냉매와 열교환하는 상기 냉각수와 실내에 유입되는 공기를 열교환하여 상기 실내를 난방하는 제5 열교환기 및
    상기 제5 열교환기 전단에 배치되어 상기 냉각수를 가열하는 전열히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
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